天線基本特性1

1、天線基本特性電子科技大學(xué)喻志遠(yuǎn)2013.7天線基本特性1. 1. 天線的輻射天線的輻射2. 2. 天線的增益天線的增益; ;3. 3. 天線有效面積天線有效面積4. 4. 路徑損耗；路徑損耗；5. 5. 雷達(dá)距離方程和散射截面定義；雷達(dá)距離方程和散射截面定義；6. 6. 天線功能；天線功能；7.7.方向系數(shù)方向系數(shù)8.8.方向系數(shù)估計(jì)方向系數(shù)估計(jì)9.9.波束效率波束效率10.10.天線輸入阻抗天線輸入阻抗11.11.天線極化天線極化12. 12. 矢量有效高度矢量有效高度13. 13. 天線因子天線因子14.14.天線的互耦合天線的互耦合15.15.天線的噪聲溫度天線的噪聲溫度16.16.通信

2、鏈路和雷達(dá)作用距離通信鏈路和雷達(dá)作用距離17.17.多徑效應(yīng)多徑效應(yīng)18.18.地面?zhèn)鞑サ孛鎮(zhèn)鞑?919多徑衰落多徑衰落波的輻射相關(guān)規(guī)定n.與時(shí)間相關(guān)的相量為ejtn2. 向外傳播的波用e-j(kR-t)來表示；n.k 為波數(shù)k = 2 / , 為波長，如f為工作頻率，則n c/f天線的輻射n 由電流產(chǎn)生輻射波是一非常重要的由電流產(chǎn)生輻射波是一非常重要的概念。概念。n 它是一互易器件：即電流可以產(chǎn)生它是一互易器件：即電流可以產(chǎn)生電磁波的輻射，而電磁波也可以一電磁波的輻射，而電磁波也可以一導(dǎo)體上激勵(lì)起電流。導(dǎo)體上激勵(lì)起電流。n 天線設(shè)計(jì)的任務(wù)就是在適當(dāng)?shù)奶炀€天線設(shè)計(jì)的任務(wù)就是在適當(dāng)?shù)奶炀€結(jié)構(gòu)上產(chǎn)

3、生預(yù)期的電磁輻射波結(jié)構(gòu)上產(chǎn)生預(yù)期的電磁輻射波(方方向圖，阻抗帶寬，增益等滿足預(yù)給向圖，阻抗帶寬，增益等滿足預(yù)給的要求的要求)n 只考慮時(shí)諧場：只考慮時(shí)諧場：n 其中其中R是傳播距離；是傳播距離；n k是波數(shù)為是波數(shù)為2/；n )(tkRje rrRzxy觀察點(diǎn)PR天線位置Arr波的輻射波的輻射電磁波以1/R2的速率衰減，并傳輸。輻射強(qiáng)度僅與輻射方向相關(guān)，而與距離無關(guān)！天線的探測將探針繞天線旋轉(zhuǎn)可測出天線在不同方向上的輻射，而更一般的是旋轉(zhuǎn)天線而固定探針。（這兩種方法是等效的，為什么？）輻射強(qiáng)度天線的波瓣n 主瓣與副瓣n 半功率寬度與零點(diǎn)寬度n 旁瓣電平偏軸饋電拋物面天線方向圖 ？天線設(shè)計(jì)中的主

4、要信息n .所有方向上的相對(duì)場強(qiáng)度，即天線的方向圖；n .總的輻射功率；n .天線的輸入阻抗；n .與上述三點(diǎn)相關(guān)的天線的帶寬；n .輻射效率：天線的輻射功率與天線所耗散的功率之比n .對(duì)高功率天線而言，在空氣中的關(guān)鍵位置，最大的電場強(qiáng)度，可能引起空氣的電暈或介質(zhì)的擊穿。坡印廷矢量的坐標(biāo)關(guān)系n 電場磁場與坡印廷矢量形成右手坐標(biāo)關(guān)系n Because the Poynting vector is the vector product of the two fields, it is orthogonal to both fields and the triplet defines a right

5、-handed coordinateate system: n (E, H,S).Poynting es a right-handed ctn Triplet三個(gè)一組的a多個(gè)te system: (E, H, S).SExHy無方向天線的方向圖*關(guān)于面和面方向圖三維波瓣 三維方向圖X-Y平面方向圖dBi和dBd是功率增益的單位，兩者都是相對(duì)值，但參考基準(zhǔn)不一樣。dBi的參考基準(zhǔn)為全方向性天線；dBd的參考基準(zhǔn)為偶極子。一般認(rèn)為dBi和dBd表示同一個(gè)增益，用dBi表示的值比dBd用表示的值要大2.15，（即 dBi=dBd+2.15）。Z-Y 平面方向圖900輻射強(qiáng)度的定義 在天線理論中，坡印

6、廷矢量S，也可以認(rèn)為是天線的輻射強(qiáng)度，顯然它與觀察點(diǎn)到天線的距離相關(guān)。為了去掉距離因素，我們常用U來表示輻射強(qiáng)度以O(shè)點(diǎn)為頂點(diǎn)的立體角元就是它在以O(shè)為球心的單位球上的投影面積球坐標(biāo)下，d=sindd天線的增益n 天線的增益用字母G，來表示。n 它是方位角和高低角的函數(shù)。n 天線增益是對(duì)天線向給定方向輻射電磁能的能力的自然力衡量。h I Balanis: Antenna Theory,2005,p62024PSRG(1-2)天線的效率n 天線的效率是天線輻射出去的電磁功率天線的效率是天線輻射出去的電磁功率Pr與天線輸入功率與天線輸入功率P0之比之比orePP /where0 = total eff

7、iciency (dimensionless)r = reflection(mismatch) efficiency = (1 |2) (dimensionless)c = conduction efficiency (dimensionless)d = dielectric efficiency (dimensionless)= voltage reflection coefficient at the input terminals of the antenna= (Zin Z0)/(Zin + Z0) where Zin = antenna input impedance,Z0 = ch

8、aracteristic impedance of the transmission line損耗與失配是影響天線效率的兩大因素！損耗與失配是影響天線效率的兩大因素！坡印廷矢量n 電磁波的輻射可以用坡印電磁波的輻射可以用坡印廷矢量來描述。它代表電廷矢量來描述。它代表電磁波在觀察點(diǎn)的輻射方向磁波在觀察點(diǎn)的輻射方向和輻射功率密度和輻射功率密度Root mean square (RMS：均方根：均方根) values are used to express the magnitude of the fields. H is the complex conjugate of the magnetic

9、field phasor. The magnetic field is proportional to the electric field in the far field. The constant of proportion is , the impedance offree space ( = 376.73 ):天線的增益定義n 增益是衡量天線向特定方向輻射能量的能力的參量20004,),(RPSSSG其中這里假定天線的效率是，P0是天線輻射功率；是天線的電場強(qiáng)度的平方除以自由空間波阻抗。是觀察點(diǎn)與天線的距離天線增益計(jì)算例子(p.3)與方向圖相關(guān)的定義(a) Radiation lob

10、es and beamwidths of an antenna pattern, (b) Linear plot of power pattern and its associated lobes and beamwidths. (After Balanis 7, c 1997 Wiley)主瓣main lobe，旁瓣side lobe，副瓣minor lobe第一零波束寬度first null beam width(FNBW), 半功率波束寬度Half power beam width(HPBW)近場區(qū)與遠(yuǎn)場區(qū)In most cases, the radiation pattern is d

11、etermined in the far-field region (Fraunhofer). In the radiating near-field region (Frensnel), the radiation pattern is different due to the square phase error as shown in Figure 1.8.D. G. Fang,2010Antenna Theory and Microstrip antennas, p.20-21輻射遠(yuǎn)場區(qū)輻射近場區(qū)電抗近場區(qū)天線的有效面積和路徑損耗SPAdeff/由由1-6式式,天線的有效面積為天線的有

12、效面積為A2是天線2的有效面積，G1是天線1的增益路徑損耗的計(jì)算路徑損耗的計(jì)算其中f 是工作頻率，以MHz為單位雷達(dá)距離方程Radar Range Equation雷達(dá)散射截面Radar Cross Sectionn 雷達(dá)的路徑損耗；雙程損耗；雷達(dá)的路徑損耗；雙程損耗；n 單站與雙站雷達(dá)；單站與雙站雷達(dá)；n 雷達(dá)散射截面：雷達(dá)散射截面：RCS：即在雷達(dá)發(fā)射波照射下物體的散射面積：即在雷達(dá)發(fā)射波照射下物體的散射面積(m2).它與入射波與反射波的方向相關(guān)。定義為它與入射波與反射波的方向相關(guān)。定義為nPs為等效全向輻射功率（為等效全向輻射功率（equivalent isotropic radiate

13、d power (EIRP)）雙站雷達(dá)距離方程單站雷達(dá)距離方程雷達(dá)接收功率正比于雷達(dá)接收功率正比于1/R4和天線增益和天線增益G！recTPPGR3224)4(平板天線的RCSn平板有效面積為平板有效面積為ARAR時(shí)的接時(shí)的接收功率。收功率。( (其中下標(biāo)其中下標(biāo)c c表示表示ncollectcollect收集收集) )n平板天線的散射功率為平板天線的散射功率為n平板天線的雷達(dá)散射平板天線的雷達(dá)散射截面為天線與有線傳輸?shù)谋容^？例：例：p7p7現(xiàn)代光纖傳輸可以做到，每公里的傳輸損耗小于現(xiàn)代光纖傳輸可以做到，每公里的傳輸損耗小于0.3dB成為有線信息傳輸?shù)闹饕侄?。成為有線信息傳輸?shù)闹饕侄?。天線

14、方向系數(shù)與平均輻射強(qiáng)度即為輻射功率除以單位球的表面積4(R=1)輻射強(qiáng)度的分解n 輻射強(qiáng)度可以分解為主輻射強(qiáng)度可以分解為主( (從從) )極化和極化和交叉極化輻射強(qiáng)度之和交叉極化輻射強(qiáng)度之和n ( (任意一種極化都可以分解為兩個(gè)任意一種極化都可以分解為兩個(gè)旋轉(zhuǎn)方向相反，頻率相同，但幅度旋轉(zhuǎn)方向相反，頻率相同，但幅度初相位不相同的圓極化波初相位不相同的圓極化波) )C：co-polarization 主極化 x: cross-polarization交叉極化關(guān)于主極化與交叉極化n Analysis of circular polarization (CP) utilizes two indepe

15、ndent, orthogonal, components: right- and left-hand circular (RHC and LHC). The desirable component, having the intended sence of rotation (right, or left), is called the copolarization component. The undesirable component, with the opposite polarization, is called the crosspolarization component. T

16、he mix of copolarization and crosspolarization components determine the quality of CP and correlates with the axial ratio.1.10輸入阻抗失配損耗與阻抗帶寬n 當(dāng)天線的阻抗與饋電網(wǎng)絡(luò)失配時(shí)，當(dāng)天線的阻抗與饋電網(wǎng)絡(luò)失配時(shí)，將產(chǎn)生反射。用電壓反射將產(chǎn)生反射。用電壓反射n 天線的反射又以電壓駐波比來描述天線的反射又以電壓駐波比來描述n 用反射系數(shù)來表示的天線回波損耗用反射系數(shù)來表示的天線回波損耗為為n 回波損耗回波損耗=-20lg/n 回波損耗又稱為反射損耗，一般以n 回波損耗小

17、于-10dB,作為天線的阻抗帶寬。(此處應(yīng)為饋電線的特性阻抗)參量比較n 1。坡印廷矢量與輻射強(qiáng)度坡印廷矢量與輻射強(qiáng)度n 兩者相差兩者相差 R2n 2。增益與方向系數(shù)。增益與方向系數(shù)nn通常天線的增益是指最大輻射通常天線的增益是指最大輻射方向上的增益方向上的增益024PSRGavSSRPSGmax20maxmax)4/(橢圓極化波視為兩個(gè)線極化波的疊加線極化波線極化波線極化波圓極化波天線的極化n橢圓極化波nThe general form of the polarized wave iselliptic polarization; in special cases, it becomes li

18、near polarization or circularpolarization.n線極化波nAn arbitrary polarized electromagnetic wave can be explained by the sum of two mutually perpendicular linearly polarized waves with the same frequency and the same propagation coecient but different amplitudes and dierentnphase angles.上面為兩個(gè)電場間的相位差為橢圓主軸與x軸的夾角極化